천문학의 이해 레포트 - 전파천문학의 개념과 역할을 설명하고, 전파천문학이 보이지 않는 우주를 관측하는 방법에 대해

I. 서론

밤하늘 사진을 보면 천문학은 아름다운 빛을 크게 확대하는 학문처럼 느껴진다. 나도 한동안 망원경이라고 하면 렌즈부터 떠올렸다. 그런데 전파망원경 사진을 처음 봤을 때는 접시 안테나가 왜 천문 관측 장비인지 잘 이해되지 않았다. 더 낯선 사실은 전파천문학자가 우주에서 오는 "소리"를 듣는 사람이 아니라는 점이었다. 전파도 가시광선과 같은 전자기파이며, 사람의 눈이 느끼지 못하는 파장대의 빛이다. 우주를 눈으로 볼 수 있는 범위에 가두면 많은 천체와 물리 현상이 사라진다. 전파천문학은 그 빈 곳을 메우며 우주를 전혀 다른 방식으로 읽게 한다.

II. 본론

1) 눈으로 못 보는 빛을 받는 전파천문학

사람의 눈이 감지하는 가시광선은 전자기파 전체에서 좁은 부분에 해당한다. 전파는 가시광선보다 파장이 훨씬 길고 주파수는 낮은 전자기파다. NASA는 전파가 전자기 스펙트럼에서 가장 긴 파장 영역에 놓이며, 천체의 전파를 관측하면 구성, 구조, 운동에 관한 정보를 얻을 수 있다고 설명한다. 전파천문학은 별이나 은하가 내는 전파를 수신하고 그 세기, 주파수, 편광, 시간 변화를 분석해 천체의 성질을 연구하는 천문학 분야다. 눈에 빛나는 별만 세는 학문이 아니라 우주에서 자연적으로 발생한 전자기 신호를 정밀하게 측정하는 일에 가깝다.

전파천문학의 출발점으로 자주 언급되는 인물은 칼 잰스키다. 그는 1932년 무렵 통신 잡음의 원인을 조사하던 중 은하수 방향에서 오는 전파를 확인했다. 원래 목적은 천문학이 아니었지만 우주가 가시광선 이외의 파장에서도 신호를 보낸다는 사실이 관측으로 드러났다. 그 뒤 전파 관측은 태양, 행성, 성간가스, 초신성 잔해, 펄서, 활동은하핵 등 다양한 대상을 연구하는 방법으로 자랐다. 광학 사진에서 희미하거나 전혀 드러나지 않는 대상이 전파 지도에서는 강한 구조로 나타나는 경우도 있다.

전파가 중요한 까닭은 발생 원리가 다양하기 때문이다. 차가운 수소 원자가 내는 특정 파장의 복사, 빠르게 움직이는 전자가 자기장 속에서 만드는 싱크로트론 복사, 뜨거운 플라스마의 자유-자유 복사, 분자가 특정 에너지 상태를 바꾸며 내는 선복사 등이 전파 영역에 나타난다. 관측자는 어느 주파수에서 얼마나 강한 신호가 오는지 비교해 보이지 않는 물질의 상태를 추정한다. 사람 눈에는 검은 공간이어도 전파 수신기에는 수소가 분포한 구름이나 강한 자기장과 입자 운동이 있는 영역으로 잡힐 수 있다.

대표적인 예가 중성수소가 내는 약 21cm 파장의 전파다. 가시광선으로는 성간 먼지 뒤쪽을 보기 어려운 경우가 있지만 긴 파장의 전파는 먼지의 영향을 상대적으로 덜 받는다. 은하 곳곳에서 오는 21cm 신호의 세기와 도플러 이동을 측정하면 수소가 어디에 많이 있는지, 우리에게 다가오는지 멀어지는지 알아낼 수 있다. 은하의 나선 구조와 회전 운동을 연구하는 데 전파 관측이 큰 역할을 해 온 이유다. "보이지 않는 우주"라는 표현은 색을 억지로 붙인 환상적인 그림을 뜻하지 않는다. 눈이 받지 못하는 정보를 다른 검출기로 측정한다는 아주 물리적인 뜻이다.